Eine Batterie ist ein Zusammenschluss gleicher Einheiten, bei elektrischen Batterien von einzelnen Akkuzellen, um im Verbund eine höhere Spannung oder Kapazität zu erzielen. Dadurch ist eine Batterie aber nur so gut wie die schwächste verbaute Akkuzelle. Batteriehersteller müssen daher alle Einzelzellen und sämtliche vorkonfigurierten Einzelmodule für die laufende Produktion auf ihre exakten Eigenschaften prüfen und in Qualitätsgruppen klassifizieren.
Beim Akku eines Elektroautos beispielsweise sind jedoch meist einige hundert Zellen in mehreren Modulen verbaut. Diese große Anzahl in möglichst kurzer Zeit zu prüfen, stellt besondere Anforderungen an die Messtechnik. Langjährige Erfahrung beim Einsatz von elektrischen und mechanischen Messverfahren ist Voraussetzung, um die für die Batterieproduktion wesentlichen Eigenschaften in einer Messgerätefamilie zusammenzufassen. Die modernen Geräte können dann einzeln oder im Verbund eingesetzt werden. Sie sind Industrie-4.0-tauglich und lassen sich einfach mit den gängigen Feldbussen verbinden, in Fertigungsanlagen integrieren oder für Forschung und Entwicklung einsetzen.
Elektrische Eigenschaften bei Einzelzellen prüfen
An erster Stelle stehen bei der Zellenprüfung die individuellen elektrischen Eigenschaften der Einzelzellen. Wird in Reihenschaltung eine Zelle mit geringerer Kapazität verbaut, so kann der ganze Zellverbund insgesamt nur die geringere Strommenge abgeben. Es kann auch zum Totalausfall führen, da die Zelle mit geringerer Kapazität zuerst voll ist, die anderen aber weiter geladen werden und dabei die Zelle mit der geringsten Kapazität überhitzt. Auch beim Entladen kann die abweichende Zelle überhitzen.
Ein weiteres Problem sind abweichende Innenwiderstände, die zu ungleichmäßiger Ladung und Erwärmung der Zellen führen. Daher müssen in Batterien verbaute Zellen möglichst identische Parameter aufweisen. Da Akkupacks aus Einzelzellen verschiedener Formate (rund, Pouch, prismatisch) aufgebaut werden, muss die Messtechnik alle Varianten testen können.
Bei oft Tausenden von Einzelzellen ist ein hoher Durchsatz bei der Kontrolle unverzichtbar. Der Messgeräte-Einsatz in der automatisierten Fertigungsprüfung von Batteriezellen für eine lückenlose 100-prozentige Qualitätssicherung in Sekundenbruchteilen erfordert daher umfangreiches Know-how. Ein extra für solche Aufgaben entwickeltes Messgerät ist das All-in-One-Modul 2511 des Messtechnikspezialisten Burster (siehe Firmenkasten). Es bietet neben einer AC-/DC-Innenwiderstandsmessung mit Werten von 0,1 µΩ … 300 mΩ in 4 Messbereichen von 10 … 300 mΩ eine Vierleiter-Messmethode für höchste Präzision und erlaubt, Mess- und Bewertungsergebnisse in kürzester Zeit zu generieren.
Die Messungen können im Frequenzbereich von 1 kHz, 100 Hz, 10 Hz, 1 Hz und bei Spannungen von 0 ... ±5 VDC durchgeführt werden. Das kaskadierbare Batteriemessmodul erlaubt über Ein- bis Vielkanalanwendungen und Temperaturmessung in nur wenigen Millisekunden Aussagen zu Elektrolyt- und Elektrodenqualität im Vergleich zu den Herstellersollvorgaben. Die kompakte Bauweise sowie die Feldbus-Schnittstellen Profinet und EtherCAT ermöglichen die einfache Integration in die Produktion. Eine darauf abgestimmte PC-Software zur intuitiven Parametrierung/Konfiguration erleichtert das Erstellen individueller Messprogramme.
Hochstromverbindungen prüfen
Bei Akkupacks müssen die einzelnen Zellen verbunden werden. Hierzu werden starre Busbar-Verbinder, Leitungen oder Federkontakte an die Zellen gedrückt, geschraubt, geschweißt oder verpresst. Dabei gilt es, vorgegebene Übergangswiderstände sehr genau einzuhalten, um Verlustleitung und Eigenerwärmung des Akkus zu minimieren. Bei den hohen Stückzahlen in der Fertigung sind auch hier Messgeräte mit sehr schneller Auswertungslogik gefragt. Mit bis zu 100 Messungen pro Sekunde ist der Resistomat Typ 2311 von Burster auf die Anforderungen von High-Speed-Anwendungen in der Automation zugeschnitten.
Zuleitungs- beziehungsweise Übergangswiderstände an den Prüfkontakten werden durch die Vierleiter-Messmethode eliminiert. Eine integrierte Kabelbrucherkennung überwacht die Messleitungen. Trotz eines Messbereichs von 20 mΩ … 200 kΩ bei einer Auflösung bis 1 mΩ und einer Messgenauigkeit von ≤ 0.03 Prozent v.M. erreicht das Prüfgerät Highspeed-Messungen ab 10 ms pro Messung inklusive Bewertung. Die Klassifizierungen und Selektierungen übernimmt ein 2- und 4-fach-Komparator mit Schaltausgängen. Alle Geräteeinstellungen können individuell in bis zu 32 unterschiedlichen Messprogrammen parametriert werden, wahlweise auch über die Ethernet-, USB- (Standard) oder Feldbus-Schnittstellen (Option). Der integrierte Datenlogger kann bis zu 900 Messwerte pro Messprogramm abspeichern.
Mechanische Messwerte bestimmen
Auch mechanische Kenngrößen sind bei der Akkufertigung wichtig. So lässt sich in der Fertigungslinie durch Messen von Anzugdrehmomenten und Anzugskräften sicherstellen, dass Kontaktflächen sicher montiert sind und die Übergangswiderstände möglichst gering ausfallen. Auch beim Verpressen von Hochstromkontakten auf Leiterplatten oder Einschieben einzelner Zellen in Halteröhren oder Boxen gilt es, die auftretenden Kräfte zu messen. Erfassen und Validieren der Fügekräfte decken eventuelle Fügefehler sofort auf.
Eine Kraft/Weg-Einpressüberwachung mit Fenster- und Hüllkurventechnik erlaubt zum Beispiel die Erfassung von Min/Max-Spitzenwerten und Kraft-Mittelwerten in einem parametrierten Toleranzbereich. Mit dem X/Y-Prozess-Controller Digiforce 9307 sind solche Prüfmethoden einfach umzusetzen. Über eine Anbindung via Profinet, EtherCAT, EtherNet/IP und Ethernet UDP unterstützt das Modul eine flexible Ablaufsteuerung und Messdatenerfassung. Bis zu 128 Messprogramme ermöglichen eine hohe Produktvarianz. Wird beispielsweise für das Einsetzen einzelner Zellenplatten/Zellenblöcke in ein Zellengehäuse der Kraft-Weg überwacht, können für die Optimierung der Taktzeit immer mehrere Einheiten gleichzeitig gefügt und mit Hilfe von kaskadierten Digiforce-Controllern jede einzelne Platte erfasst und ausgewertet werden.
Langzeitüberwachung des Ausdehnungsverhaltens von Akkuzellen
Doch nicht nur zeitkritische Messungen in der Fertigungslinie sind wichtig, auch für Labormessungen zum Batterieverhalten von Einzelzellen und Akkupacks, beispielsweise in der Entwicklung oder für Stichprobenkontrollen, werden Messgeräte gebraucht. Damit lassen sich auch mechanische Messwerte zur Langzeitbeobachtung zum Beispiel der Ausdehnung bei Lade- und Entladezyklen oder der Bestimmung der auftretenden Kräfte mit Überwachung der Temperaturen beziehungsweise zur Optimierung der Druckverteilung und Lebensdauer leicht bestimmen.
Der Burster-Druckkraftsensor 8526 eignet sich durch die kleine Bauform und drei Befestigungsbohrungen für solche Aufgaben in unterschiedlichen Anwendungsgebieten. Selbst Winkelfehler in der Krafteinleitung von bis zu 3 Grad Abweichung zur Messachse beeinflussen das Messergebnis nur sehr gering. Sein breites Messbereichsspektrum von 0 … 100 N bis 0 ... 1 MN erlaubt nicht nur bei Akkuzellen zum Beispiel die genaue Erfassung der Kräfte beziehungsweise die Ausdehnung mit der Temperatur beim Laden und Entladen der Zellen. Das wiederum gestattet eine exakte Bewertung des Langzeitverhaltens und des Alterungsprozesses.
